鎖相環(huán)(PLL)頻率生成電路廣泛用于多個行業(yè)和應用中，包括基本的 FM 廣播頻段接收器、數(shù)字通信、航空航天、儀器儀表、雷達和電子戰(zhàn)。鎖相環(huán)用于生成從小于 1MHz 到數(shù)十 GHz 及以上的射頻(RF)和中頻(IF)信號。應用要求變化很大，鎖相環(huán)設計和優(yōu)化需要權衡考量功耗、相位噪聲、頻率調(diào)諧范圍、頻率分辨率和鎖定時間等參數(shù)。

設計過程中必須權衡考量頻率范圍與相位噪聲性能，這一點很重要，如果處理不當，常常會導致性能下降。寬帶壓控振蕩器(VCO)以犧牲出色的相位噪聲性能為代價，提供較寬的頻率范圍。相比之下，窄帶VCO 以犧牲可達到的調(diào)諧范圍為代價，提供更好的相位噪聲?？梢詫⒍鄠€窄帶 VCO 多路復用，以實現(xiàn)更寬的調(diào)諧范圍，但這通常不切實際——需要復雜的外部電路將電源切換給單個 VCO，并選擇適當?shù)?RF輸出。

圖 1 所示的電路包含一個集成式四頻 VCO，由四個集成在單個封裝中的窄帶 VCO 組成（下文簡稱該電路為CN0568）。這種設計的優(yōu)勢在于：它保留了窄帶 VCO 出色的相位噪聲，同時還提供較寬的工作頻率范圍。VCO 頻段通過板載多路復用器電路進行切換，該電路根據(jù)主機編程設置的頻率從四個 VCO 中選擇。

圖 1. CN0568 功能框圖

這種切換電路經(jīng)過優(yōu)化，可以提供快速 VCO 頻段切換，減少了從最低頻段到最高頻段的總鎖定時間。對于需要在寬頻率范圍內(nèi)保持快速切換時間的應用，例如快速跳頻，這是有利的。

對于需要高精度的相位再現(xiàn)的波束成形等應用，PLL內(nèi)置的相位再同步和相位調(diào)整功能都非常有用。該電路兼容 Arduino 尺寸平臺板，可以堆疊多個板，共用同一個數(shù)字接口。

電路描述

PLL 合成器

本電路選擇 ADF41513 用作 PLL 頻率合成器，它具有 1GHz 至 26.5GHz 寬工作頻率范圍，涵蓋 3 種四頻 VCO 的整個頻率范圍。在小數(shù)模式下，∑-Δ 調(diào)制器提供 sub-Hz 頻率分辨率。ADF41513 還具有超低本底噪聲性能，在整數(shù)模式下為-235 dBc/Hz，在小數(shù)模式下為-231 dBc/Hz，以實現(xiàn)出色的相位噪聲性能。

基準輸入

EVAL-CN0568-ARDxZ 可以進行配置，支持來自REFIN SMA 連接器的外部基準頻率，或用于板載超低相位噪聲 100MHz 晶體振蕩器。具有 82fs 低抖動和-90 dBC/Hz 近載波相位噪聲。默認情況下，該板配置采用板載晶體振蕩器選項；通過移除 R8，并在 R28 中插入一個 0 ? 電阻來選擇外部輸入。對于需要 100MHz 基準電壓源的用例，推薦使用板載基準電壓源。

環(huán)路濾波器

由于 ADF41513 PLL 的電荷泵的工作電壓為 0 至3.3v，這 3 種四頻 VCO 需要 1.0V 至 13.5V 調(diào)諧電壓，因此需要具有增益的有源環(huán)路濾波器電路。環(huán)路濾波器的設計目標是在每個 VCO 頻段的頻率范圍內(nèi)盡可能提高穩(wěn)定性，環(huán)路帶寬約為 100kHz，相位裕量為 50°。當所選的 VCO 頻段內(nèi)的調(diào)諧靈敏度（頻率與調(diào)諧電壓斜率）發(fā)生變化時，環(huán)路濾波器帶寬根據(jù)工作頻率也會略微變化。環(huán)路濾波器設計用于使用 100 MHz 基準頻率，如果需要使用其他基準頻率，則需要重新設計。ADISimPLL 工具可用于確定合適的環(huán)路濾波器拓撲結構，并使用仿真模型計算所需帶寬和相位裕量等必要的元件值。

采用五階環(huán)路濾波器拓撲，是因為它具有更高的帶外滾降，以及更出色的 Σ-Δ 調(diào)制器噪聲和雜散衰減性能。環(huán)路濾波器中選擇使用的運算放大器是 ADA4625 ，它具有低噪聲性能，可以使用軌到軌電源。圖 2 顯示使用的環(huán)路濾波器配置的示意圖。圖3 顯示板載環(huán)路濾波器的尺寸。

圖 2. 環(huán)路濾波器原理圖

圖 3. 環(huán)路濾波器尺寸

電壓控制振蕩器

HMC8074/HMC8362/HMC8364 四頻 VCO 每個都由 4 個獨立的窄帶 VCO 內(nèi)核組成，這些內(nèi)核集成在單個 LFCSP 封裝中。為對應的內(nèi)核提供 5v 電源電壓，如此可以選擇每個內(nèi)核。在任何給定時間內(nèi)，只能啟用一個內(nèi)核，以確保輸出緩沖放大器不被過驅動。因為每個內(nèi)部 VCO 內(nèi)核的窄帶性能，這些四頻 VCO 具有寬帶 VCO 的頻率范圍，同時保持了出色的相位噪聲性能。

在給定器件版本的所有 4 個頻段內(nèi)，VCO 調(diào)諧曲線保持一致，因此可以使用單個環(huán)路濾波器來調(diào)節(jié)所有頻段。這些四頻 VCO還為功率敏感型應用提供 75mA 的低電流消耗（典型值），包括緩沖放大器。這三種四頻 VCO 版本覆蓋 8.3GHz 至 26.6GHz 的頻率范圍。每個四頻VCO 的頻率范圍如下：

HMC8074：8.3 GHz至15.2 GHz

HMC8362：11.9 GHz至18.3 GHz

HMC8364：18.1 GHz至26.6 GHz

圖 4. 四頻 VCO 版本的頻率范圍

雖然 HMC8364 能夠使用 ADF41513 的最大頻率26.5GHz，但 EVAL-CN0568-ARDxZ 的工作頻率范圍限制在 24GHz。詳細說明參見 頻率靈敏度 部分。

RF 分路器

寬帶寬(1.8-28GHz)、1:2 RF 分路器將 VCO 輸出拆分，分別輸出到 CN0568 RF 輸出端口和 PLL RF 反饋路徑。選擇這種分路器的主要原因在于，它具有2GHz 至 26.5GHz 寬工作帶寬范圍。這意味著，分頻器可以在所有三種四頻 VCO 的頻率范圍內(nèi)使用。EP2K1+還具有 2.5W 高功率處理能力，尺寸小巧，為 4x4mm。

圖 5. RF 分路器簡化原理圖

插入損耗在分路器的頻率范圍內(nèi)變化，從 2GHz 時的 0.8dB（典型值）到 26.5GHz 時的 2.4dB。這個插入損耗必須加入到分路器的 3dB 損耗中，以提供在某個頻率下，信號通過分路器遭受的總損耗。在HMC8364 版本電路板更高的工作頻率下，因為ADF41513 的 RF 輸入靈敏度隨著頻率的增加而增加，插入損耗會影響鎖定。詳細說明參見頻率靈敏度部分。

相位再同步

當鎖定到所需頻率時，相位可以建立至相對于基準頻率的任何一個相位偏移。ADF41513 具有相位再同步功能，對于給定的 RFOUT 頻率，從基準電壓源產(chǎn)生一個穩(wěn)定的相位偏移。在相位關鍵型應用中，例如波束成形，這是一個重要功能。

在第一次使能相位再同步后，用戶在操作頻率上選擇相位偏移。如果改變頻率，然后又變回原來的頻率，則保持原來的相位偏移。當相位再同步使能時，內(nèi)部定時器以下式所給出的間隔 tSYNC產(chǎn)生同步信號：

CLK1 和 CLK2 是 ADF41513 寄存器位域，在應用軟件中編程設置。在編程設置時，必須使 tSYNC大于PLL 最壞情況下的鎖定時間，以確保在 PLL 建立瞬態(tài)的最后一個周跳發(fā)生相位再同步。注意，如果使用相位再同步，即使在整數(shù)模式下運行，也必須使能Σ-Δ調(diào)制器。

相位調(diào)整

可以使用相位值位域（在 CN-0568 應用軟件中編程設置），按任何給定頻率手動增加相位。可以使用以下公式生成相位偏移：

然后，相位會在每次向 ADF41513 的寄存器0寫入時，按相位偏移量增加。在相位再同步模式下也是一樣，必須使能∑-?調(diào)制器來執(zhí)行相位調(diào)整，即使是在整數(shù)模式下運行。

頻率靈敏度

ADF41513 的最大輸入頻率為 26.5 GHz， HMC8364 四頻 VCO 版本稍高一些，為 26.6 GHz。但是，當頻率接近 24GHz 時，有許多因素（如本節(jié)所述）會影響性能并導致環(huán)路不能鎖定。因此，指定該電路的最大工作頻率為僅 24 GHz。在室溫下使用時，指定工作頻率為 24GHz。但是，如果溫度升高，最大工作頻率可能會降低。

影響鎖定的第一個因素是，HMC8364 VCO 輸出功率會在頻段 4 的頻率增加時降低。具體參見圖6 所示。

圖 6. HMC8364 輸出功率與頻段 4 中整個溫度范圍下的調(diào)諧電壓的關系

這種輸出功率降低對電路的整體功率損耗有很大影響。在 23.9 GHz 到 26.6 GHz 范圍內(nèi)，輸出功率下降了 6 dB。

RF功率分路器插入損耗也隨著頻率的增加而增加。在更高的工作頻率下，這可以產(chǎn)生高達 1dB 的額外損耗，導致反饋環(huán)路的總損耗增加。

此外，ADF41513 的 RFIN 頻率靈敏度隨著工作頻率的增加而增加。工作頻率高于 24 GHz 時，這種靈敏度變得更加重要，因為受之前提到的會導致?lián)p耗的其他因素影響，會更難以達到所需的輸出功率。RF 反饋路線可以重新設計，以便在較窄的頻率范圍內(nèi)，在較高的頻率下實現(xiàn)更低的插入損耗。但是，該電路的目標之一是演示所有三種四頻 VCO 在最寬頻率范圍內(nèi)的性能。另一種增加反饋信號功率的技術是：在反饋環(huán)路中添加一個放大器。請參見常見變化章節(jié)了解詳細信息。

控制電路

使用控制電路，根據(jù)應用軟件中所選的頻率來選擇不同的 VCO 頻段。GPIO 信號從 SDP-K1 Arduino連接器路由，以根據(jù)所需頻率選擇頻段。對自定義固件執(zhí)行寫入，以傳輸這些 GPIO 控制邏輯信號，具體參見 CN0568 產(chǎn)品頁面。參見 Circuit 電路評估和測試章節(jié)，了解有關加載自定義固件的詳細信息。

壓控振蕩器頻段選擇電路的主要組件之一是 ADG1604 4:1 多路復用器。這將來自 LT3045 穩(wěn)壓器的+5v 電源電壓通過多路復用器的 4 個開關中的一個饋送至對應的 VCO 頻段電源。在控制電路中使用多路復用器可以確保一次只啟用一個 VCO 內(nèi)核，避免對 VCO 器件造成損壞。所有控制信號都包括濾波電感和電容，以衰減可能發(fā)生的噪聲和干擾。圖 7 所示為控制電路的簡化框圖，用于進行說明。（包含控制電路的電路板完整原理圖在 CN0568 設計支持包中。）

圖 7. VCO 頻段選擇，包含多路復用器

VCO 集成式輸出緩沖器通過單刀雙擲(SPDT)開關進行開關，該開關通過另一個 SDP-K1 GPIO 信號進行管控。默認情況下，該信號在應用軟件建立連接后保持高電平。

頻率更新序列

ADF41513 上的頻率控制寄存器受到雙重緩沖。這意味著，要改變 RF 輸出頻率，必須執(zhí)行兩個事件。首先，必須根據(jù)所需的新頻率更新頻率控制字寄存器。然后，對寄存器 0 執(zhí)行寫操作，以開始頻率變化。每次在應用軟件前面板上更新頻率，會對總共4 個寄存器進行寫入，包括寄存器 0 寫入。這些寄存器必須按以下順序寫入：寄存器 6，寄存器 3，寄存器 1，然后是寄存器 0。

當使用不同 VCO 頻段的頻率更新到當前頻率時，GPIO控制信號在寄存器寫入后更新，如圖8所示。

圖 8. 頻率更新序列

在寄存器 0 更新約 600ns 后，GPIO 更新。轉換時間是變化的 GPIO 地址位和進行多路復用的對應輸出開關之間的延遲時間。ADG1604 4:1 多路復用器的典型轉換時間為 150ns。

電源調(diào)節(jié)

EVAL-CN0568-ARDxZ 由兩個外部電源供電，它們連接至板載 SMA 連接器。+25v 提供給 V+SMA，6v 提供給 J1。ADF41513 電源根據(jù) EV-ADF41513SDxZ 評估板上的默認電源分組進行分組。通過組合更多電源引腳來減少穩(wěn)壓器的數(shù)量，可能會在輸出頻譜中產(chǎn)生不必要的雜散。

提供給 J1 的+6v 電源為四個板載 LT3045 LDO 穩(wěn)壓器提供輸入電壓。選擇 LT3045 穩(wěn)壓器的原因在于它具有出色的低噪聲性能和 500mA 輸出電流能力。這些穩(wěn)壓器為所有的+3.3V ADF41513 電源，以及四頻 VCO 和晶體振蕩器基準電壓源的+5v 電源供電。通過在 SET 引腳上相應設置 RSET電阻，以配置每個穩(wěn)壓器的輸出電壓。參見 LT3045 數(shù)據(jù)手冊獲取更多詳細信息。

通過 V+SMA，從外部電源將+25v 電源直接提供給有源環(huán)路濾波器電源。在供電路徑中包括解耦電容，以減少干擾供電的外部噪聲。

常見變化

為了補償 HMC8364 四頻 VCO 版本在高于 24GHz時的輸出功率降低，可以在 RFOUT 信號之后增加一個放大器。放大后的信號可以作為 ADF41513 RFIN 端口的反饋信號，以增大工作頻率范圍，最大頻率為 26.5GHz。在圖 9 中，相位噪聲結果匯聚起來，將 HMC962 LNA 連接至 RFOUT 端口。為了比較，然后將其與不帶LNA 的默認配置進行重疊。

圖 9. RFOUT 上連接和不連接 HMC962 時的相位噪聲比較

如圖 9 所示，輸出中包含 HMC962 時，相位噪聲不會降低。在 24 GHz 時，放大器的增益約為 12.5 dB。在這種情況下，放大器的輸入功率電平為-7.4 dBm。在輸出端，測量到的功率電平為 5.23 dBm。這是一個非常合適的功率電平，因為它在 ADF41513 的24GHz 頻率下的最大和最小靈敏度范圍內(nèi)。有關ADF41513靈敏度水平的更多信息，請參見數(shù)據(jù)手冊。

電路評估與測試

EVAL-CN0568-ARDxZ 板通過運行 CN0568 特定固件的 SDP-K1 控制板連接至主機。也可使用其他兼容 Arduino 的 3.3v 邏輯接口板，但需要進行固件開發(fā)。在首次連接時，演示軟件裝置中的自定義固件文件會加載到 SDP-K1 控制器板中。這通過將軟件包中包含的十六進制文件復制到 SDP-K1 驅動器位置來實現(xiàn)。

設備要求

EVAL-CN0568-ARDxZ 評估板

EVAL-SDP-CK1Z 控制器板

運行 windows 7 或更高版本的 PC/筆記本電腦

頻譜分析儀或相位噪聲分析儀，具有合適的測量頻率范圍

2 × 香蕉插頭，連接至 SMA 電源線

1 × 50 ? RF/微波電纜，帶 2.92mm 連接器

雙電源，提供+25v 和+6v 輸出電壓

步驟

本節(jié)介紹設置 EVAL-CN0568-ARDxZ 任意版本，以在 RFOUT 端口上輸出頻率的一般步驟。關于詳細說明，請參見 EVAL-CN0568-ARDxZ 用戶指南。

將 EVAL-CN0568-ARDxZ 安裝到 SDP-K1控制器板上。

通過 USB 電纜，將主機 PC/筆記本電腦連接至 SDP-K1 接口板。

將+6v（限流值 = 200mA）連接至 J1，+25v（限流值= 20mA）連接至 V+SMA。

將 50 ? RF 電纜連接至頻譜/相位噪聲分析儀。

確保電源已關閉。如圖 10 所示設置評估板。

接通兩個電源

打開 CN0568 軟件，選擇正確的版本。然后按“連接”按鈕，啟動該器件。

選擇工作頻率范圍內(nèi)的頻率，然后選擇“更新頻率”。

所選的頻率將在頻譜分析儀上顯示。

圖 10. 測試設置

結果

使用 HMC8362 四個頻段的中心頻率獲取相位噪聲結果圖。圖 11 顯示重疊后的相位噪聲圖。

圖 11. EVAL-CN0568-ARD2Z 相位噪聲

測試結果是使用默認的板載環(huán)路濾波器配置（100kHz 環(huán)路帶寬）在室溫下獲得的。表 1 中還顯示 EVAL-CN0568-ARD2Z 的電路的測量鎖定時間。

表 1. EVAL-CN0568-ARD2Z 測量鎖定時間

對于這些測量的鎖定時間，鎖定標準是頻率已達到+/- 10kHz 停止頻率，且隨后沒有偏離該閾值。ADISimPLL 用于驗證預期得到的模擬鎖定時間，該時間與這些測量值非常接近。

審核編輯：劉清